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什么是低溫技術(shù)？

低溫學(xué)研究材料在極低溫度下的生產(chǎn)和行為。黃岡氦氣等低溫液體的溫度范圍介于 -271.15°C 至 -196°C 之間。低溫應(yīng)用利用了在這些低溫環(huán)境中增加強(qiáng)度、改善導(dǎo)電性和增強(qiáng)隔熱等特性。

低溫技術(shù)背后的原理涉及控制冷卻速率。這是通過(guò)利用沸點(diǎn)和蒸發(fā)速率來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的溫度范圍來(lái)完成的。在某些情況下，這涉及使用機(jī)械制冷劑甚至液氮將材料迅速冷卻至零度以下。通過(guò)操縱環(huán)境，材料可以冷卻到室溫以下，而不會(huì)將其物理狀態(tài)從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。

然而，并非所有材料在暴露于極端寒冷條件下時(shí)都會(huì)做出同樣的反應(yīng)。例如，無(wú)論冷卻多遠(yuǎn)，黃岡氦氣仍然是氣體，而水在 0°C 時(shí)會(huì)變成冰。了解每種材料在不同溫度下的獨(dú)特特性有助于科學(xué)家確定哪些物質(zhì)最適合特定的低溫應(yīng)用。

低溫技術(shù)已被用于航天器和衛(wèi)星以實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。

低溫技術(shù)用于太空應(yīng)用，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S在較低溫度下儲(chǔ)存推進(jìn)劑并降低其蒸氣壓。低溫燃料還提供比化學(xué)燃料更高的比沖，從而延長(zhǎng)任務(wù)持續(xù)時(shí)間。低溫推進(jìn)劑罐重量輕，熱膨脹系數(shù)低。這使他們能夠在船上儲(chǔ)存更多的燃料。

采用低溫技術(shù)的航天器有一個(gè)絕緣內(nèi)罐，內(nèi)含液態(tài)氫或液態(tài)氧，溫度保持在 -253°C 至 -183°C 之間。為保持此溫度，在容器壁周?chē)惭b多層絕緣 (MLI) 毯等絕緣層。這可以防止熱量從外部環(huán)境散失到其中。這些系統(tǒng)可以使用散熱器或焦耳-湯姆遜冷卻器等主動(dòng)冷卻機(jī)制來(lái)進(jìn)一步控制其溫度。

由于與其他類(lèi)型的燃料源相比具有高功率密度，衛(wèi)星在運(yùn)行期間廣泛使用低溫技術(shù)。為了讓它們?cè)谡麄€(gè)任務(wù)期間保持功能，衛(wèi)星需要持續(xù)供電，這由太陽(yáng)能電池板或放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī) (RTG) 提供。RTG 需要儲(chǔ)存在高度絕緣容器內(nèi)的液態(tài)氫來(lái)產(chǎn)生電能。因此，衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商必須嚴(yán)重依賴低溫技術(shù)來(lái)確保長(zhǎng)時(shí)間不間斷的性能。

近年來(lái)，在提高低溫技術(shù)在航天器和衛(wèi)星中的使用效率方面取得了進(jìn)展。有了這些進(jìn)步，我們很可能會(huì)看到通過(guò)增加實(shí)現(xiàn)更高水平的效率提升。